有序介孔碳吸附剂的研究进展

有序介孔碳吸附剂的研究进展

闻振涛, 万 颖*

(上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234)

摘 要:介绍了有序介孔碳吸附剂在吸附中的重要作用,总结了有序介孔碳应用于处理染料废水,去除水中芳香有机污染物,去除重金属离子以及吸附生物分子中的研究现状。展望了有序介孔碳应用于吸附的发展前景。

关键词:有序介孔碳;吸附剂;研究进展中图分类号:TQ 085+

4 文献标志码:A 文章编号:0367 6358(2011)07 0434 03

R esearch Progress of Ordered M esoporous Carbons as Sorbent s

WEN Zhen tao, WAN Ying

*

(Dep ar tment of Chemistr y ,S hang hai Normal Univ er sity ,S hang hai 200234,China)

Abstract:The recent research prog ress of o rdered mesoporo us carbo ns in adso rption o f pollutants such as dye,o rganic arom atics,heavy metal ions and biomolecules,such as v itamin E,w as review ed.T he futur e development of the order ed mesopo rous carbons as sorbents w as also predicted.Key w ords:ordered meso poro us carbo ns;sorbents;research pro gress

收稿日期:2011 05 10

作者简介:闻振涛(1986~),男,硕士生。

*E mail:yw an @https://www.360docs.net/doc/e23949741.html, 当前,工业中常用的吸附剂大多为微孔材料,主要包括:氧化物分子筛,碳分子筛,活性炭,活性炭纤维,碳纳米管和石墨纳米纤维等。但是,微孔材料存在许多问题,比如微孔太多,使孔的利用率太低;微孔吸附后难脱附,使其再次利用比较困难;微孔孔径过小,不能有效的吸附大分子污染物等。

有序介孔碳由于具有高的表面积,大的孔体积,良好的孔道稳定性,使其不仅具有比活性碳更高的吸附容量而且具有良好的重复利用性;有序介孔碳孔径比活性炭等微孔吸附剂孔径大,使其更容易吸附大分子有机物;通过调节合成时的投料比可以改变有序介孔碳的孔结构,进而使其可以选择性吸附不同种类的吸附质。

有序介孔碳材料一般都是经过纳米灌注的方法合成的,以介孔二氧化硅为硬模板,在介孔氧化硅的孔道中灌注碳源,高温碳化后得到二氧化硅/碳复合材料,通过氢氟酸或氢氧化钠溶液溶解除去氧化硅

得到介孔碳材料

[1]

。Zhao 等

[2]

用三嵌段共聚物

F127为模板,以用苯酚和甲醛制备相对分子质量低

的酚醛树脂为碳源,通过溶剂挥发自组装(EISA ),热聚过程,高温煅烧等步骤,合成了有序介孔碳材料。有序介孔碳已经成为新型的高效吸附剂,在吸附领域有巨大的应用前景。1 有序介孔碳在水处理中的应用

1.1 处理染料废水

染料废水是当前最严重的水体污染物之一,它的污染成分复杂,水体影响因素多,色度大,因此处理非常困难。Yuan 等[3]

以SBA 15和NaY 分子筛为模板合成了不同孔径大小的有序介孔碳材料,研究了材料对亚甲基蓝和中性红的吸附。结果表明,孔径大于3.5nm 的有序介孔碳能够高效吸附亚甲基蓝,当孔径较小时对中性红的吸附性能更好。Yan 等[4]用酸和碱处理过的沸石为模板,糠醛为碳源,通过气相沉积聚合的方法合成介孔碳,把其应用

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于亚甲基蓝的吸附研究。实验发现,以酸处理过的沸石为模板合成的介孔碳吸附量为223mg/g,以碱处理过的沸石为模板合成的介孔碳的吸附量为380 mg/g。把介孔碳用水处理后能够提高其吸附速率,但是其吸附量基本保持不变。

Zhuang等[5]用软模板法合成有序介孔碳,以表面活性剂F127为模板,酚醛树脂为碳源,合成有序介孔碳材料,首次把其应用于研究水中大体积染料分子吸附,结果表明此介孔碳对染料的吸附量是商业活性炭的两倍,并且介孔碳对低浓度的染料有较高的吸附率,高达99%,无论是对碱性染料,酸性染料还是对偶氮染料都有很好的吸附性能。吸附后的介孔碳仍然很稳定,可以重复利用。染料分子的空间尺寸在介孔碳的吸附过程中起了决定性作用,当吸附小尺寸的染料分子时,孔径小的介孔碳利于吸附,当吸附尺寸大的染料分子时,孔径大的介孔碳利于吸附。

碳材料对染料的吸附量至少达到200m g/g,才能被认为是好的脱色碳[6],前面提到的有序介孔碳材料对染料的吸附量均大于200mg/g,有序介孔碳材料在染料废水的处理中具有重要的应用价值。1.2 去除水中芳香有机污染物

M ar czew ski[7]研究了有序介孔碳对硝基苯,4 硝基苯酚,4 氯苯酚等3种有机物的吸附。动力学研究结果显示,材料对有机物的吸附速率比微孔碳的吸附速率高。

有序介孔碳表面的官能团相当于一个活性位,在材料吸附有机物的过程中起了非常重要的作用。通过改变有序介孔碳表面官能团组成能够提高吸附剂的吸附性能。Anbia等[8]通过MCM 48氧化硅材料为模板,蔗糖做碳源,合成了有序介孔碳,并用硝酸改变介孔碳的表面化学性质。把未处理的介孔碳和氧化处理后的介孔碳用于吸附水相中的萘,萘酚,1,5 二氨基萘等。结果表明,氧化处理过的有序介孔碳对三种有机物的吸附量分别为1.6、2.3、2.8 mm ol/g,远大于未处理的有序介孔碳对三种有机物的吸附量:1.36、1.25、1.1mm ol/g。表现出更高的吸附容量。A nbia等[9]用不同尺寸大小的MCM 48氧化硅材料为模板,蔗糖做碳源合成了高度有序的碳分子筛,然后用苯胺处理改变表面官能团修饰。用此材料吸附苯酚,间苯二酚,对甲酚等有机物,发现其呈现出比CM K 1更高的处理能力,介孔碳分子筛对间苯二酚的吸附量大于对其他酚类衍生物的吸附量。H e等[10]通过在CM K 3表面嫁接辛基进行改性,改性后的材料对苯酚的吸附量为720 mol/g,高于CM K 3对苯酚的吸附620 mo l/g。

有序介孔碳对有机物的吸附同样受到温度,pH 等因素影响。Sui等[11]用CM K 3研究对双酚A的吸附,吸附试验表明CM K 3能够有效去除水中的双酚A,动力学数据遵循二阶模型,而且CM K 3的吸附速率大于活性炭的速率。在温度20~40 C范围内,CMK 3的吸附量随温度的升高而降低。溶液的初始pH值在3~9范围内,CMK 3对双酚A的吸附量变化很小,而pH值在9~13范围内,由于双酚A的质子化,CMK 3对双酚A的吸附量明显降低。

1.3 去除重金属离子

郭卓等[12]以SBA 15为模板,制备3种具有不同孔径大小的有序介孔碳CM K 3,研究了有序介孔碳材料对铬Cr( )的吸附能力。结果表明,介孔碳的投入量、pH值、震荡时间等因素均对Cr( )的吸附效果存在一定影响.研究显示,当pH= 2.0~ 4.0时,有序介孔碳对Cr( )的吸附最有利,3种有序介孔碳吸附能力都超过90%。CM K 3展现出比活性碳更高的吸附量,更快的吸附速率。

为了增加有序介孔碳对重金属的吸附容量,可以对有序介孔碳进行改性。陈田等[13]把有序介孔碳通过先氧化、后氯化、再胺化处理,得到不同胺基接枝量的胺化有序介孔碳。以有序介孔碳、胺化有序介孔碳作吸附剂对Cu(II)、Cr(VI)进行选择性吸附研究.结果表明:功能化修饰前,样品对Cu(II)、Cr(VI)饱和吸附量分别为213.33、241.55mg/g;修饰后饱和吸附量可分别达到495.05、68.21mg/g.功能化介孔碳表现了较强的选择性吸附Cu(II)的能力。Lee等[14]用羧甲基化聚乙烯亚胺通过普通的吸附方法对介孔碳CMK 1进行功能化。把CM K 1和功能化的CMK 1用作吸附剂,研究材料对水溶液中Cu(II)的吸附行为。结果显示,两种介孔碳对Cu(II)的吸附行为都符合lang muir吸附,而且功能化的CM K 1对Cu(II)的吸附量是未处理的CM K 1吸附量的10倍。当溶液中Cu(II)的浓度低于0.02m mol/L时,功能化的CM K 1可以把溶液中的Cu(II)完全吸附。

1.4 吸附生物分子

生物分子,如氨基酸,维生素等是人体必不可少的物质。用化学合成方法合成生物分子的成本太大,所以当前获得的主要途径为从动物或者植物中提取,因此,高效的分离提纯方法显得尤为重要。有序介孔碳材料具有好的生物适配性,能够高效的吸附生物分子,在生物分子的分离提纯中具有重要的

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第7期化 学 世 界

价值。V inu 等[15]以SBA 15为模板合成了孔径范围为3~6.5nm 的有序介孔碳,把得到的有序介孔碳用于吸附不同pH 的细胞色素C 溶液,在pH 等于9.6时,有序介孔碳达到最大吸附量18.5 mol/g,此吸附量大于文献报道的介孔氧化硅材料(M CM 41,SBA 15)对细胞色素C 的吸附量。

Vinu 等[16]

比较了CMK 3,SBA 15以及活性炭对L 组氨酸的吸附,CM K 3的最大吸附量为1350 mo l/g,是SBA 15的最大吸附量的12倍,远远大于活性炭的吸附量。

有序介孔碳的对生物分子的吸附量受材料的孔结构以及材料表面性质影响。Guo 等[17,18]

在有序介孔碳CMK 1和CM K 3上负载聚甲基丙烯酸甲酯,把得到的有序介孔碳用于吸附维生素B12,结果发现,CM K 3由于具有大的孔体积和孔径,所以具有较高的吸附量。负载聚甲基丙烯酸甲酯后的有序介孔碳对维生素B12的吸附量高于未处理的有序介孔碳的吸附量。

2 展望

有序介孔碳吸附剂具有空旷多孔的结构和构架组成,在吸附领域有巨大的应用前景。鉴于有序介孔碳合成过程的可控性,可以在合成过程中掺入杂原子(铁、钴等),掺杂磁性金属的吸附剂,达到吸附饱和后,通过外加磁场,可以很容易将其与溶液分离。也可通过在有序介孔碳上负载金属氧化物使其具有催化氧化,光降解等功能进一步扩大其在水处理中的应用范围。参考文献:

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